Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của nền kinh tế xã hội, các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật ứng dụng vào các ngà
Trang 1Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế
ĐỀ TÀI
“ Thiết kế bộ nguồn cho máy hàn tự
dộng dùng thyristor đảm bảo được các yêu
cầu công nghệ’’
SV:Đinh Trọng Thuận
Trang 2Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế
LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của nền kinh tế xã hội, các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật ứng dụng vào các ngành công nghiệp nói chung và ngành công nghiệp điện tử nói riêng, các thiết bị điện tử công suất được ứng dụng và được chế tạo ngày càng nhiều, đặc biệt là ứng dụng vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống, làm cho yêu cầu về sự hiểu biết và thiết kế các loại thiết bị này hết sức cần thiết đối với kỹ sư ngành điện
Cùng với sự phát triển của ngành điện tử công suất thì việc ứng dụng rộng rãi các loại máy hàn vào công nghiệp là hết sức quan trọng nói một cách cụ thể hơn là đối với các ngành cơ khí chế tạo
Để hiểu rõ được vai trò của điện tử công suất và các loại máy hàn trong đó có hàn tự động Trong
bản đồ án môn học này được sự hướng dẫn của thầy Đỗ Mạnh Cường với đề tài :
“ Thiết kế bộ nguồn cho máy hàn tự dộng dùng thyristor đảm bảo được các yêu cầu công nghệ’’
Em có đưa ra một số phương án trình bày trong bản đồ án thiết kế Tuy nhiên với sự hiểu biết và những kiến thức đã học còn hạn chế nên bản đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót nhất định.Em rất mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo của các thầy cô giáo để bản đồ án của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn !
Sinh viên
Đinh Trọng Thuận
3
Trang 3-Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế
Chương 1
TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ
1.1.Nguyên lý của hàn một chiều
a Định nghĩa
Hàn là quá trình nối hai vật liệu bằng kim loại vói nhau bằng cách nung nóng chỗ nối đến nóng chảy hoặc gần nóng chảy
b Nguyên lý của hàn một chiều
Là một dạng phóng điện trong chất khí với mật độ dòng điện lớn (102 đến 103A/mm2 ) tạo hiện tượng hồ quang điện làm nóng chảy kim loại Ở điều kiện bình thường chất khí hầu như không dẫn điện Nếu đặt lên hai điện cực trong môi trường không khí một điện trường có cường độ đủ lớn thì có thể phá
vỡ cách điện của chất khí và có khả năng dẫn dòng điện lớn, phụ thuộc vào tính chất chất khí, áp suất của
nó, nhiệt độ môi trường, vật liệu làm điện cực, độ lớn của cường độ điện trường…
Đặc tính V-A, đặc tính tĩnh của hồ quang:
Để giảm được U mồi mà vẫn gây được hồ quang người ta
cho hai điện cực tiếp xúc nhau gây ra I đoãn mạch Nếu I
đoản mạch đủ lớn sẻ nung kim loại chổ tiếp xúc nóng chảy.
Thường sử dụng đoạn đặc tính CD để hàn
Hình 1.1 Đặc tính VA
Trong tất cả các phương pháp ghép nối các chi tiết với nhau thì phương pháp hàn điện cónhiều ưu việt hơn tất cả.Chính vì vậy mà ngày nay nó được sử dụng rộng rãi trong hầu hết cácngành công nghiệp, xây dựng, chế tạo máy và hàn điện đã trở thành một phần tất yếu không thểthiếu Phương pháp hàn điện có những ưu điểm nổi bật sau:
+ Khả năng ghép nối các chi tiết cao với chất lượng mối hàn tốt
+ Chi phí sản xuất hạ , cho năng suất lao động cao
+ Ít tiêu hao nguyên vật liệu
Trang 4Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế
+ Bảo vệ môi trường vệ sinh công nghiệp
+ Công nghệ đơn giản, khả năng cơ giới hóa và tự động hóa cao
a Theo chế độ hàn người ta chia làm 2 loại
-Kiểu thường: dòng điện được khống chế theo dạng hình thang: có điểm tăng dòng, duy trì và giảm dần về không
-Kiểu có xung: cũng như trên nhưng dòng khống chế được điều chế một tần số nào đó Độ rộng và chu kỳ cũng có thểthay đổi cho phù hợp với vật
b Phân loại theo kiểu máy : có 3 loại
-Máy dùng chỉnh lưu diode
-Máy dùng chỉnh lưu bằng thyristor
1.4 Các yêu cầu khi làm việc
- Nguồn hàn phải đảm bảo dòng hồ quang cả ở chế độ mồi và chế độ hồ quang ổn định
- Đảm bảo an toàn khi làm việc ở chế độ làm việc cũng như chế độ ngắn mạch làm việc
- Nguồn hàn phải có công suất lớn
- Nguồn hàn phải có khả năng điều chỉnh được dòng hàn
- Đường đặc tính ngoài của nguồn hàn phải đáp ứng được từng phương pháp hàn cụ thể ở đây
là hàn tự động thì đường đặc tính ngoài phải cứng
5
Trang 5-Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế
CHƯƠNG 2:
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Để cấp nguồn cho tải một chiều, chúng ta cần thiết kế các bộ chỉnh lưu với mục đích biến đổi năng lượng điện xoaychiều thành năng lượng điện một chiều Các loại bộ biến đổi này có thể sử dụng các sơ đồ chỉnh lưu sau đây:
- Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển
- Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng
- Chỉnh lưu cầu ba phan có điều khiển
2.1 Nhận xét các sơ đồ
a Ưu và nhược điểm của chỉnh lưu tia 3 pha
-ưu điểm : so với chỉnh lưu một pha thì chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp một chiều tốt hơn, biên độ điện ápđập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc cao bé hơn, việc điều khiển các van tương đối đơn giản
-nhược điểm : sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp ra tải chưa thật tốt lắm, khi cần chất lượng điện áp ratốt hơn thì dùng sơ đồ nhiều pha hơn
b.Ưu nhược điểm của sơ đồ cầu ba pha không đối xứng
- Ưu điểm:sơ đồ có ít kênh điều khiển hơn so với sơ đồ cầu 3 pha đối xứng nên điều khiển dễ dàng hơn,đầu tư ít hơn
- nhược điểm: điện áp ra không được tốt như sơ đồ cầu 3 pha đối xứng,dải điều chỉnh điện áp không lớn lắm
c Ưu và nhược điểm của chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng
- ưu điểm : chất lượng điện áp tốt nhất, hệ số đập mạch thấp, thành phần sóng hài nhỏ, hiệu suất
Sơ bộ ta có công suất một chiều Pd = Ud Id =75 200=15000w
Theo các tài liệu cho thấy :
Trang 6Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế
- Công suất > 5 KW ta dùng sơ đồ chỉnh lưu ba pha
- Đện áp một chiều ra tải cao > 30V nên dùng sơ đồ hình cầu
- Điện áp chỉnh lưu nhỏ hơn nhiều so với lưới nên phải sử dụng BA nguồn
==> Vì vậy ta chọn sơ đồ cầu ba pha có điều khiển là thích hợp nhất
a Sơ đồ và đồ thị
Hình 2.1 Sơ đồ b.Công thức tính toán:
( áp dụng giáo trình điện tử công suất của thầy
Trần Trọng Minh – Võ Minh Chính - Phạm Quốc Hải )
RRL R
Trang 7Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế
2.3.1 Phía nguồn:MBA ( chọn MBA ba pha ba trụ )
- Điện áp sơ cấp MBA: U1 =3 X 380 (V)
- Công suất một chiều:
Với sơ đồ 3 pha có điều khiển ta có công thức sau: mà
Trang 8-Lời nói đầu
I1 = I2.Kba = = = 14,1(A)
- Số vòng dây sơ cấp: ( vòng / vôn )
- Số vòng dây thứ cấp: ( vòng / vôn )
2.3.2.Phía mạch lực: tính toán chọn van
- Điện áp chỉnh lưu không tải :
-Điện áp ngược đặt lên van là: Ungmax = U2 = 33 =80.5 ( v)
- Điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu:
=1,6 80.5 = 129 (V) với kdtU : hệ số dự trữ điện áp chọn kdtU = 1,6
- Dòng điện làm việc của van: : ITBVAN 66,6 (A)
Chọn chế độ làm mát cho van là quạt thông gió và cánh tản nhiệt, chọn hệ số dự trữ dòng điện: KDTI = 2 vậy van phảichịu được dòng điện là: : IV = KDTI ITBVAN = 2.66,6 = 133,2 (A)
chọn thyristor T10-80 do nga chế tạo ( phụ lục 2trang 432 sách hướng dẫn thiết kế điện tử công suất của thầy Phạm Quốc Hải ) với các thông số sau:
Trang 9-Lời nói đầu
+Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắt mạch Thyristor, ngắn mạchđầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp,
+ Chọn Aptomat có: Iđm = 1,1.I1 = 1,1.14,1 = 15,51 (A)
+ Chỉnh định dòng ngắn mạch: Inm = 2,5.I1 = 2,5.14,1 = 35,25(A)
+ Dòng quá tải: Iqt = 1,5.I1 = 1,5.14,1 = 21,15 (A)
* Bảo vệ quá điện áp cho van: Người ta chia làm 2 loại nguyên nhân gây ra quá điện áp
+Nguyên nhân bên trong: sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn Khi khoá thyristor bằng điện áp ngược, cácđiện tích nói trên đổi ngược lại tạo ra dòng điện trong khoảng thời gian rất ngắn Sự biến thiên nhanh chóng của dòngđiện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm Do vậy giữa anot và catot của thyristor xuất hiệnquá điện áp
+Nguyên nhân bên ngoài: Những nguyên nhân này thường xảy ra ngẫu nhiên như khi cắt không tải một máybiến áp trên đường dây, khi có sấm sét
Để bảo vệ quá điện áp , người ta thường dùng mạch RC đấu song song với Thyristor nhằm bảo vệ quá điện áp do tích tụđiện tích khi chuyển mạch gây nên Mạch RC đấu giữa các pha thứ cấp MBA là để bảo vệ quá điện áp do cắt không tảiMBA gây nên.Trong mạch bảo vệ quá điện áp ta chọn R=80 , C=0,25F
vậy : điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc :
dòng định mức chạy qua cuộn kháng: Idm=200 (A)
biên độ dòng xoay chiều bậc 1: I1m=10%Idm=20 (A)
do dòng điện cuộn kháng lớn và điện trở bé do đó ta có thể coi tổng trở cuộn kháng xấp xĩ điện kháng:
Zl Xl = wl = 2 .f.5,12.10-4 = 0,16
điện áp rơi trên cuộn kháng lọc: = 0,16 = 2,2 (v )
Trang 10Lời nói đầu
Chương 3:
Tính toán mạch điều khiển
3.1-Nguyên tắc điều khiển:
răng cưa, đôi khi hènh sin) theo chu kỳ do nhịp đồng bộ của uđb khâu so sánh ss xác định thời điểm cân bằng của 2 điện
áp Ut và Uđk để phát động khâu tạo xung tx như vậy trong nguyên tắc này thời điểm phát xung mở van hay góc điềukhiển thay đổi do sự thay đổi trị số của uđk, trấn đồ thị đó là sự di chuyển theo chiều dọc của trục biên độ đa số mạchđiều khiển thực tế sử dụngnguyên tắc này
Hình 3.1 Sơ đồ khối
Hình 3.2 Sơ đồ điện áp
3.2 Thiết kế mạch điều khiển:
3.2.1 Tính toán các khâu trong mạch điều khiển:
a.Tính toán khâu đồng bộ:
11
-U 2
U ~
- E + E
+E1
R 1
+ -
Trang 11Lời nói đầu
2
VR R
E R
1 2
52 , 10 48 , 1 12 48 , 1 48
,1
VR VR
Sơ đồ điện áp b.Khâu tạo điện áp răng cưa:
Tính toán: Chu kì của điện áp lưới là: 0 , 02 ( ) 20 ( )
Chu kì của điện áp răng cưa là : 10 ( )
U 2
U 3
+
-1 2
R 4
C 1
D Z
- E
Trang 12Lời nói đầu
trong đó : t p - thời gian phóng của tụ c 1
T n - thời gian nạp của tụ c 1
như trên ta đã chọn = 50 tức là T n = 100 T p = 1800 - 100 = 1700tương ứng với thời gian là: T p =
1
3
6 , 0 0
R C
U dt i C
c C
10 6 , 0
10
tlp p
10 2 , 0 9
2
R VR
10 9 , 1
12
pI
E R VR
chọn R 4 = 20 k , vr 2 = 50 k có thể điều chỉnh được
c Khâu so sánh:
Để đảm bảo cho dòng điện đi vào các cửa của khuyếch đại thuật
toán nhỏ hơn 1mA ta chọn R 5 =R 6 =15 k
-1
23
Trang 13Lời nói đầu
Hình 3.8 Sơ đồ điện áp
d Khâu phát xung chùm:
Hình 3.9 Sơ đồ mạch Hình 3.10 Sơ đồđiện áp
-3
Trang 14Lời nói đầu
theo kinh nghiệm thường chọn R 9 + R10 cỡ 20 k, để giảm độ chênh lệch giữa 2 cửa vào của OA chọn R 10 nhỏ hơn
chọn trị số của r 8 là: 2,5 k, để có sườn xung dốc đứng ta nên sử dụng loại OA có tham số về tốc độ tăng áp lớn
(như lF351) hoặc dùng comparator (như LM301, LM339…), các loại OA thông dụng như LM324, a741 cho xungkhông thật dốc với khu vực tần số trấn 10 (khz)
e Khâu trộn xung:
Khâu trộn xung sử dụng IC các cổng AND có 3 đầu vào với các thông số: nguồn nuôi IC : Vcc = 315 (v), tachọn: Vcc = 12 (v)
+ nhiệt độ làm việc : - 40o c 80o c+ điện áp ứng với mức logic “1”: 2.54,5 (v)
+ dòng điện nhỏ hơn: 1 ma Bảng chân lí của cổng AND:
* Nguyên lí hoạt động của khâu phản hồi :
Lấy điện áp phản hồi từ nguồn hàn thông qua điện trở shunt, vì điện áp này nhỏ nên ta cho qua bộ khuếch đại đểđược điện áp thích hợp tiếp theo điện áp phản hồi được đưa vào bộ cộng (đảo) với điện áp mà ta đặt cho nguồn hàn làm
+
-1 2
-1 2
-1 2
Trang 15Lời nói đầu
việc.Sau đó điện áp phản hồi được đưa qua khâu PI để loại bỏ các sóng nhiễu có tần số cao làm cho mạch tăng tính ổnđịnh
chọn điện áp trên điện trở shunt urs = 2,5 v
Trang 16Lời nói đầu
* Tính toán khâu chỉnh lưu và ổn áp:
Tạo nguồn nuôi e=12 V, ta dùng mạch chỉnh lưu cầu 1 pha dùng diode, điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn
nuôi: U 2 =17 v
Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng 2 IC ổn áp 7812 và 7912, các thông số chung của vi mạch này:
+ điện áp đầu vào : Uv = 735 (v)
+ điện áp đầu ra : Ura = 12(v) với IC 7812
Ura = -12(v) với IC 7912+ dòng điện đầu ra: Ira = 01 (A)
tụ điện C 4 , C 5 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao
các diode D1 D8 chọn loại diode thông thường có các thông số:I tb = 1A , U đm = 200 v
h.Khuyếch đại xung & biến áp xung:
*.Biến áp xung:
Theo phần tính toán ở mạch lực ta chọn van thyristor T10-80
tham khảo các tài liệu cho thấy tỷ số biến áp xung thường áp dụng m =13 lÀ tốt nhất
ở đây ta chọn m = 2 Vậy giá trị dòng sơ cấp của BAX
I1 = I2 / m = 150 / 2 = 75(mA)
giá trị điện áp sơ cấp của BAX:
Trang 17Lời nói đầu
công suất của BAX:
S = U1 I1 = 0,075 8 = 0,6 (VA )chọn vật liệu lếi biến áp xung là ferit làm việc trên một phần của đặc tính từ hóa: Bs = 0,45 t, độ từ thẩm A = 6000 a/m,diện tích lõi 1cm2
số vòng dây cuộn sơ cấp BAX: B S
t U W
trong đó: Tx là chiều dài xung truyền qua máy biến áp thường có giá trị từ 10 đến 600s.ở đây ta chọn tx là 350 s
S : là tiết diện lõi ferit, thay số vào ta có:
+ số vòng dây cuốn thứ cấp BAX:
(vòng)+ giá trị trung bình ở sơ cấp và thứ cấp BAX
*.Khuyếch đại xung: chọn Ecs = 10 v
125 0
SCBA
SCBAX cs
chọn TR2 loại H1061 với các thông số:
Uec = 35 (v)
Iec = 2 (A)
= 120 ( ở đây sử dụng = 10.)
2 2
2
0,15 0,015( ) 15( ) 10
ECT BT
Trang 18Lời nói đầu
1
1
1
15 1,5 ( ) 10
Trang 19-Lời nói đầu
Hình 3.16 Sơ đồ điện áp
b: Thuyết minh:
Khi cấp nguồn vào sơ cấp của biến áp đồng pha, phía thứ cấp của biến áp được hạ áp sau khi qua mạch chỉnh lưu
có điểm trung tính điện áp U1 là điện áp một chiều nửa hình sin Điện áp một chiều nửa hình sin tại U1 được đưa vào cực(+) của OA1 so sánh với điện áp phẳng U được đặt vàocực (-) của OA1 do E1, VR1 và R2 tạo ra kết quả ta được tín hiệu đầu ra U2 của OA1 có dạng xung vuông đồng bộ với lưới
Điện áp dạng xung vuông sau khi được tạo ra ở khâu đồng bộ trước đó được đưa vào khâu tạo điện áp răng cưa Khi U2 có giá trị âm, diode D3 mở, tụ C1 được nạp theo chiều từ U3 qua tụ C1 qua R3 qua diode D3 về U2 Khi U2 có giá
Trang 20Lời nói đầu
trị dương,transistor T mở diode D3 khoá lúc này tụ C1 phóng từ + C1 qua transistor T về – C1 kết quả ta được U3 có dạngđiện áp răng cưa
Điện áp điều khiển được lấy từ điện áp phản hồi trên điện trở shunt được khuyếch đại lên để có độ lớn thích hợp,sau khi qua khâu khuyếch đại đảo và khâu PI lọc sai số động ta được Uđk có dạng đường thẳng
Điện áp răng cưa U3 được đưa vào cửa (-) của OA3 và so sánh với điện áp điều khiển Uđk được đưa vào cửa (+).khi U3 > Uđk thì điện áp đầu ra của OA3 là U4 có giá trị âm Ngược lại, khi U3 < Uđk thì điện áp đầu ra U4 có giá trịdương Kết quả ta được U4 có dạng xung vuông
Khâu phát xung chùm có tác dụng tạo ra chùm xung dưới sự phóng nạp của tụ C2 d9 có tác dụng loại bỏ xung
âm Do đó tín hiệu điện áp U6 có dạng xung chùm dương Điện áp U4 được trộn với xung chùm U6 bởi IC4081 rồi đượcđưa qua tầng khuyếch đại do tín hiệu xung vẫn chưa đủ lớn để kích mở thyristor
Tầng khuyếch đại gồm các transisto mắc theo kiểu dalington, xung dương được đặt vào bazơ của TR1 làm TR1
mở đồng thời TR2 mở theo khi đó có xung đi vào biến áp xung trên cuộn thứ cấp của biến áp xung có xung để kích mởthyristo Khi điện áp trên biến áp xung giảm đột ngột, cuộn dây của biến áp xung xuất hiện sức điện động cảm ứngngược dấu lúc đó diode D4 và D7 có tác dụng trả ngược điện áp dập tắt sức điện động để bảo vệ các transistor khỏi bị quá
áp
Kết luận
Sau một quá trình học tập và nghiên cứu, cùng với sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô giáo
trong bộ môn đặc biệt là thầy Đỗ Mạnh Cường và sự giúp đỡ của các bạn cùng nhóm, em đã hoàn
thành các nhiệm vụ được giao của bản đồ án : Thiết kế bộ nguồn cho máy hàn tự động.Trong quá trình thực hiện do trình độ và hiểu biết còn hạn chế nên chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn để bản đồ án này được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 3 tháng 9 năm 2012
Sinh viên:
Đinh Trọng Thuận
21
